MOS管在很多項目中都是一定會出現的,在不同場合,MOS的作用也不同。本文意在記錄現階段對於MOS管的認識與見解。
MOS管是一種利用電場效應來控制其電流大小的半導體器件。這種器件不僅兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長的特點,而且還具有輸入阻抗高、噪聲低、抗輻射能力強、制造工藝簡單等優點。MOS管在大規模和超大規模集成電路中占有重要地位。
對於MOS的內部結構本文就不介紹了,因為項目中不會考察MOS內部結構,而是注重MOS的應用。
首先,我最先能想到MOS的幾個特點:
- 通過柵極(G)控制通斷,NMOS的Vgs要大於一定正電壓、PMOS的Vgs要小於一定負電壓;
- Vgs絕對值增大將減小Rds;
- 通常,價格超過十塊錢的MOS管附帶的體二極管要比幾毛錢一個的續流二極管靠譜。
在項目中使用MOS管普遍是作為一個開關管來使用。例如開關電源,H橋驅動等設計中,都是利用MOS來控制電路通斷,來實現項目功能的。這樣就需要考慮MOS的一些寄生參數。
例如,我在設計一個H橋驅動時我就需要考慮MOS管三個引腳的寄生電容。MOS管導通,必須使柵極寄生電容都充滿電,這個參數Qg(tot)將與驅動電路的開關頻率和MOS驅動的選型相關。如果選擇的驅動推力小,即給柵極充電能力弱,那么MOS管打開的速度就會慢。所以驅動MOS管的頻率就不可以選擇太高。上面的特點已經提及到,MOS的導通內阻和Vgs有關。如果開管的過程較慢,可以想象I*R關於時間的積分將會很大,那么每個周期MOS管內將積攢很多熱量,多個周期后,MOS管將承受不住熱量而損壞。這也是為什么許多關於MOS管驅動的博客里會寫道開管速度慢會導致燒管的原因。
關於MOS管柵極電阻的選擇。MOS管的柵極電阻實際上是用來改善柵極充放電波形的(抑制諧振)。
首先,我們要了解RLC電路的諧振模型,這里假設讀者已經了解了。那么我們可以知道在無負載的情況下,RLC電路在諧振頻率的放大倍數將達到無窮倍。那么加上負載,可以知道負載阻抗越大(正好前文提到過MOS的阻抗非常大),在諧振頻率處的增益越大(畢竟開路阻抗等於無窮大)。如果增加RLC電路中的R呢?通過電路知識可以知道R增加,諧振增益將會減小。這里的R就是MOS管柵極串聯的柵極電阻Rg,L是引線的寄生電感,C則是柵極寄生電容。驅動MOS的信號通常是方波信號,通過傅里葉分解,可以得到多種正弦信號,那么必定有一種正弦信號頻率就在諧振頻率上。如果不串聯柵極電阻,就可能導致在諧振頻率上的信號被放大,導致MOS管柵極波形失真(例如出現尖峰)。這種情況是工程師不希望看到的,因此需要串聯一個柵極電阻。那么為了抑制信號受到放大而失真,能否將柵極電路取得很大呢?當然是不能的。如果將柵極電阻取得很大,將會使驅動信號里的高頻分量丟失,驅動上升沿變緩,這也是工程師們不想看到的結果。
以上可以知道柵極電阻的選擇分為以下幾步:
1.分析MOS走線帶來的寄生電感,MOS內部的寄生電容,以及MOS驅動信號源輸出電阻,構建RLC電路增益曲線;
2.分析驅動信號頻譜;
3.根據RLC電路增益曲線以及頻譜,選擇合適的Rg,使驅動信號頻譜中某一頻率不會被過分放大,也不會使驅動信號高頻分量丟失。
如果以上三步對於你來說有些困難,那么可以參考MOS數據手冊給出的Rg(ext)來選擇。通常手冊會建議用戶接入一個5Ω或是10Ω的電阻來改善柵極充電波形。
關於MOS管選型。受工藝影響,NMOS的性能通常高於PMOS(NMOS耐壓值高、柵極電荷Qg(tot)小、過流能力強等),並且價格NMOS也比PMOS便宜,所以在一些設計中,常常使用NMOS。當然也會有使用PMOS的時候,例如H橋驅動電路,如果使用NMOS,那么則需要考慮高端驅動(High-Side)的問題,因為想要NMOS導通,必須使Vgs大於一定正電壓才行,同樣使用PMOS則需要考慮低端驅動(Low-Side)。那么高端使用PMOS,低端使用NMOS不就解決了這個問題嗎?沒錯!英飛凌的BTN集成半橋驅動就是將PMOS和NMOS集成在一起搭建的半橋電路。所以關於N、P的選型,通常我會在大功率項目中優先考慮選擇NMOS。然后就是關於MOS本身參數的選取,例如Vgs。在數據手冊中Vgs通常表明這是GS間能加的最大電壓,這個電壓通常為20V,即Vgs不能超過20V。另外還有一個Vgs(TH),這個參數代表着MOS的導通電壓。Vgs(TH)越小自然越好。另外我還會關注在不同Vgs處管子的導通內阻Rg,Rg自然是越小越好,這樣子電路工作效率也會更高。特別是在大電流的項目里,Rg每減小一點都將給系統帶來巨大的功率節約。另外還需要考慮Ids,通常MOS的Ids都能做到100A以上,一般都是綽綽有余的(而且一般而言,普通板子的走線散熱設計達不到MOS的Ids)。最后就是看MOS的工作頻率,ton、toff、Qg這些參數。相信前文對於Qg,管子開關頻率的講解已經足夠詳細,這里就不在贅述。